CN108801173B - 基于纳米线波导的点衍射干涉检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纳米线波导的点衍射干涉检测系统。传统的针孔点衍射干涉系统存在针孔透射光强较弱，针孔对准误差以及入射波前像差的问题，且难以进行两干涉波前的光强调整操作。本发明解决了点衍射干涉系统中对比度可调以及难以产生大数值孔径的高精度参考波前的难题。本发明的特点在于，利用一纳米线波导将光波限制在波长尺寸孔径内出射，从而产生近乎理想的大数值孔径参考球面波，其中与之相连的单模光纤可有效滤除入射波前像差的影响。并且凭借其微小尺寸，可放置于待测球面镜球心处，实现参考波前的振幅调整以及移相操作。本发明可实现不同反射率球面镜面形的高精度通用化检测，并具有重要的工程应用价值。

Description

基于纳米线波导的点衍射干涉检测系统

技术领域

本发明涉及一种基于纳米线波导的点衍射干涉检测系统。

背景技术

在众多波像差检测装置中，点衍射参考干涉仪利用衍射产生的近理想球面波前作为参考波前，不受参考标准元件精度的限制，成为高精度光学检测技术中的翘楚。其实现高检测精度的关键在于近理想的球面波前是通过极小截面的光场衍射形成的，该截面的尺寸与波长相当。对于可见光波段的衍射参考干涉仪，衍射参考波前的产生主要有两种方式，其一是通过金属膜层上刻蚀的针孔，另一是通过光纤中的光场在端面的衍射。这两者均存在一定的问题，通过金属膜层上的针孔产生的衍射波前其能量较弱，调整困难，而且由于金属膜层的厚度有限，衍射光会残留部分之前的光学元件引入的误差，影响衍射波前的质量，而光纤由于其线芯直径较大，导致衍射波前的数值孔径较小，极大地限制了干涉仪的测量范围。同时，针孔点衍射干涉仪将针孔衍射波前分为检测光和参考光，难以实现干涉条纹对比度可调，无法进行低反射率球面镜面形的高精度检测。且对待测镜进行移相操作时，会存在待测波前的不均匀移相问题。因而，本发明公开了一种基于纳米线波导的点衍射干涉检测系统。利用纳米线波导点衍射板来获得大数值孔径高质量的衍射参考球面波，简单可靠。将传统的干涉检测技术与新型的微纳波导相结合，为高精度波前检测技术注入了新的活力，并在国家重大专项中具有很好的应用前景。

发明内容

本发明的目的是解决点衍射干涉系统中对比度可调以及难以产生大数值孔径高精度参考波前的难题，提供一种基于纳米线波导的点衍射干涉检测系统。

基于纳米线波导的点衍射干涉检测系统包括线偏振激光器、二分之一波片、准直扩束系统、分光镜、可调衰减片、压电微位移器、光纤耦合器、单模光纤、波导点衍射板、显微物镜、空间滤波器、待测球面镜、反射镜、成像透镜、探测器；线偏振激光器经二分之一波片调节得到线偏振光，再经准直扩束系统产生平行光，经过分光镜产生参考波W1和待测波W2，参考波经可调衰减片衰减后，由光纤耦合器耦合到单模光纤中，然后传输到与单模光纤相连接的波导点衍射板中衍射产生参考波W1，待测波W2经显微物镜会聚以及空间滤波器滤波后，照明待测球面镜，经待测球面镜和反射镜反射后，与参考波W1产生干涉，经成像透镜在探测器上得到干涉条纹，利用压电微位移器对光纤耦合器进行多步移相，即可实现对参考波W1的移相操作，进而实现待测球面镜面形的高精度测量。

所述的位于参考光路中的可调衰减片，可调整参考光和检测光之间的相对光强，进而实现干涉条纹对比度可调。

所述的压电微位移器和光纤耦合器固定于一体，可以方便、准确地实现参考光路的多步移相操作。

所述的纳米线波导点衍射板，其中与之相连接的单模光纤只传输基模，可有效滤除波前像差的影响，且纳米线波导将光场限制在波长量级尺寸范围内，可在出射端衍射形成近乎理想的大数值孔径参考球面波。

所述的波导点衍射板是由二氧化硅包层、硅基底、氮化硅芯层三部分构成的矩形纳米线波导结构；纳米线波导的氮化硅芯层片上结构包括氮化硅芯层尺寸、弯曲波导部分以及光耦合入波导的耦合器三部分的设计；氮化硅芯层材料的折射率为2，二氧化硅包层的折射率为1.46；氮化硅芯层尺寸设计为250nm；氮化硅纳米线波导弯曲部分的曲率半径由波导弯曲损耗和模斑光场分布变形量共同决定，波导弯曲部分的曲率半径设计为5μm；光纤与纳米线波导的耦合器设计采用Y型耦合器。

本发明有益效果如下：

本发明通过将参考光路和检测光路分离，利用可调衰减片调整参考光和检测光之间的相对光强，实现干涉条纹对比度可调，进而实现不同反射率待测球面镜面形的通用化测量；将压电微位移器固定于光纤耦合器上，可以方便、准确地实现参考光的多步移相操作，同时采用单模光纤作为参考光路的传光方式，避免了对待测球面镜进行移相时引入的不均匀位相差以及震动的影响等；波导点衍射光源将光场限制在波长量级的微纳结构中，能衍射产生大数值孔径亚纳米量级精度的参考球面波，为球面镜面形的高精度检测提供了一种简单可行的干涉测量系统。

附图说明

图1是本发明光路布局示意图；

图2是纳米线波导点衍射板结构示意图；

图3是探测器上检测到的低对比度干涉条纹图；

图4是探测器上检测到的高对比度干涉条纹图；

图5是待测球面镜S12的面形分布；

图6是纳米线波导结构示意图；

图7是氮化硅芯层结构示意图。

具体实施方式

如图1所示表示了基于纳米线波导的点衍射干涉检测系统的光路布局，包括线偏振激光器S1、二分之一波片S2、准直扩束系统S3、分光镜S4、可调衰减片S5、压电微位移器S6、光纤耦合器S7、单模光纤S8、波导点衍射板S9、显微物镜S10、空间滤波器S11、待测球面镜S12、反射镜S13、成像透镜S14、探测器S15；线偏振激光器S1经二分之一波片S2调节得到线偏振光，再经准直扩束系统S3产生平行光，经过分光镜S4产生参考波W1和待测波W2，参考波经可调衰减片S5衰减后，由光纤耦合器S7耦合到单模光纤S8中，然后传输到与单模光纤S8相连接的波导点衍射板S9中衍射产生参考波W1，形成参考光路；待测波W2经显微物镜S10会聚以及空间滤波器S11滤波后，照明待测球面镜S12，经待测球面镜S12和反射镜S13反射后，与参考波W1产生干涉，经成像透镜S14在探测器S15上得到干涉条纹，利用压电微位移器S6对光纤耦合器S7进行多步移相，即可实现对参考波W1的移相操作，进而实现待测球面镜S12面形的高精度测量，形成检测光路。

由于在低反射率待测球面镜S12面形检测时，经待测球面镜S12反射后，检测光的光强相对参考光强较弱，产生较低的干涉对比度条纹，在位相解调时会引入较大的随机噪声。因此，所述的位于参考光路中的可调衰减片S5，可调整参考光和检测光之间的相对光强，进而实现干涉条纹对比度可调。

所述的压电微位移器S6和光纤耦合器S7固定于一体，可以方便、准确地实现参考光路的多步移相操作。

光纤耦合器S7中内置透镜可以通过五维的位姿调整从而达到最大的耦合效率，位姿调整完成后距离单模光纤S8抛光端的距离是定值。在进行光纤耦合器S7内置透镜的位姿调整时，可以先准直从光纤耦合器S7输出的光束，这样可以方便、直观地将透镜置于正确位置处，从而开始耦合。然后需要使入射光路与光纤耦合器S7的光轴对准，可以通过在入射光路放置光阑和圆环十字靶屏来实现。调节分光镜S4和光阑直到入射光路通过光阑中心，并且随光阑位置前后移动光斑大小和中心不发生改变，后调节圆环十字靶屏，使入射光斑针对中心，保持圆环十字靶屏不发生任何改变，调节光纤耦合器S7的位置，直到光束明显通过圆环十字靶屏中心，此时认为入射光和光纤耦合器S7光轴对准。最后微调光纤耦合器S7的内置透镜，并在输出端放置功率计，使输出光功率达到最大值即可。

压电微位移器S6是对整个耦合器进行移相操作，不改变内置透镜和单模光纤抛光端的距离，仍能保证最大的耦合效率。同时，单模光纤S8有效平均了空气、机械振动等环境扰动的影响，使其对参考光路的影响近乎为零。采用压电微位移器S6进行移相时，由于参考光是由空间光耦合到单模光纤S8中，因此光纤中模式的位相变化是一常量，有效避免了对待测球面镜进行移相时引入的不均匀位相差以及震动的影响等。

图2是纳米线波导点衍射板结构示意图。所述的纳米线波导点衍射板S9，其中的纳米线波导将入射光场限制在波长量级尺寸范围内，可有效滤除多种高阶耦合模式场，只传输基模，在波导出射端面衍射形成近乎理想的大数值孔径参考球面波。纳米线波导器件固定在很薄的二氧化硅玻璃基底中心，a处为纳米线波导器件入射光波的耦合端，与单模光纤S8粘连在一起，单模光纤S8的另一端连接光纤耦合器S7，b处为纳米线波导器件的光波出射端，光波出射端尺寸只有亚波长量级，可以衍射产生理想的大数值孔径参考球面波W1；待测波W2在玻璃基底处、纳米线波导器件上方透射，与参考球面波W1产生干涉。圆形玻璃基底固定于高精度三维调整架，通过三维调整架调整波导点衍射板位置使待测波W2不被纳米线波导器件遮挡，完全透射波导点衍射板S9，同时调整参考球面波W1和待测波W2的剪切量，进而有效降低波前检测中调整误差对面形检测结果的影响。

如图6和7所示，波导点衍射板(S9)是由二氧化硅包层S3a、硅基底S3b、氮化硅芯层S3c三部分构成的矩形纳米线波导结构；纳米线波导的氮化硅芯层S3c片上结构包括氮化硅芯层尺寸、弯曲波导部分以及光耦合入波导的耦合器三部分的设计；氮化硅芯层材料的折射率为2二氧化硅包层S3a的折射率为1.46；氮化硅芯层尺寸设计为250nm；氮化硅纳米线波导弯曲部分的曲率半径由波导弯曲损耗和模斑光场分布变形量共同决定，波导弯曲部分的曲率半径设计为5μm；光纤与纳米线波导的耦合器设计采用Y型耦合器。

实施例

本发明应用于基于纳米线波导的点衍射干涉检测系统实例描述如下。

实施例的待测球面镜S12是一曲率半径为192mm、数值孔径为0.56的未镀膜球面，球面反射率为0.04。由于光纤耦合器S7不能耦合全部的入射光波能量，因此选用分光镜S4的透射和反射光路的分光比为9:1。如图1所示线偏振激光器S1经二分之一波片S2调节得到线偏振光，再经准直扩束系统S3产生平行光，经过分光镜S4产生参考波W1和待测波W2，参考波经可调衰减片S5衰减后，由光纤耦合器S7耦合到单模光纤S8中，然后传输到与单模光纤S8相连接的波导点衍射板S9中衍射产生参考球面波前W1，待测波W2经显微物镜S10会聚以及空间滤波器S11滤波后，照明待测球面镜S12，经待测球面镜S12和反射镜S13反射后，与参考波W1产生干涉，经成像透镜S14在探测器S15上得到干涉条纹，利用压电微位移器S6对光纤耦合器S7进行多步移相，即可实现对参考波W1的移相操作，进而实现待测球面镜S12面形的高精度测量。

由于在低反射率待测球面镜S12面形检测时，经待测球面镜S12反射后，检测光的光强相对参考光强较弱，产生较低的干涉对比度条纹，如图3所示探测器上检测到的低对比度干涉条纹图。所述的位于参考光路中的可调衰减片S5，可调整参考光和检测光之间的相对光强，进而实现干涉条纹对比度可调。实施例的可调衰减片S5的透射率范围为0.001～0.91。通过调整可调衰减片S5得到如图4所示的探测器上检测到的高对比度干涉条纹图。

光纤耦合器S7中内置透镜可以通过位姿调整从而达到最大的耦合效率，内置透镜的调整有5个自由度：X和Y方向的线性对准，俯仰和偏转角度对准，以及控制俯仰和偏转的同时进行Z方向调整。内置透镜在X/Y和Z方向的行程范围分别是±0.7mm和±0.4mm，每转的分辨率为0.32mm。俯仰/偏转范围是±4°，每转的分辨率为1.32°。

压电微位移器S6是对整个耦合器进行移相操作，不改变内置透镜和单模光纤抛光端的距离，仍能保证最大的耦合效率。同时，单模光纤S8有效平均了空气、机械振动等环境扰动的影响，使其对参考光路的影响近乎为零。

所述的纳米线波导点衍射板S9，其中的纳米线波导将入射光场限制在250nm尺寸内，可有效滤除多种高阶耦合模式场，只传输基模，在波导出射端面衍射形成近乎理想的参考球面波。参考球面波的半孔径角为30°。采用图1所示系统检测曲率半径为192mm、数值孔径为0.56的待测球面镜S12时，经过计算得到在不遮挡的情况下，得到参考球面波W1和待测波W2的最小剪切量s为0.3mm。

经过对系统中各元器件的精密调整后，解调探测器采集到的干涉条纹得到的待测球面镜S12的面形分布如图5所示。

Claims (5)

1.一种基于纳米线波导的点衍射干涉检测系统，其特征在于包括线偏振激光器(S1)、二分之一波片(S2)、准直扩束系统(S3)、分光镜(S4)、可调衰减片(S5)、压电微位移器(S6)、光纤耦合器(S7)、单模光纤(S8)、波导点衍射板(S9)、显微物镜(S10)、空间滤波器(S11)、待测球面镜(S12)、反射镜(S13)、成像透镜(S14)、探测器(S15)；线偏振激光器(S1)经二分之一波片(S2)调节得到线偏振光，再经准直扩束系统(S3)产生平行光，经过分光镜(S4)产生参考波(W1)和待测波(W2)，参考波经可调衰减片(S5)衰减后，由光纤耦合器(S7)耦合到单模光纤(S8)中，然后传输到与单模光纤(S8)相连接的波导点衍射板(S9)中衍射产生参考波(W1)，所述的波导点衍射板(S9)是由二氧化硅包层(S3a)、硅基底(S3b)、氮化硅芯层(S3c)三部分构成的矩形纳米线波导结构，待测波(W2)经显微物镜(S10)会聚，在焦点处经空间滤波器(S11)滤波后，照明待测球面镜(S12)，经待测球面镜(S12)和反射镜(S13)反射后，与参考波(W1)发生干涉，经成像透镜(S14)在探测器(S15)上得到干涉条纹，利用压电微位移器(S6)对光纤耦合器(S7)进行多步移相，即可实现对参考波(W1)的移相操作，进而实现待测球面镜(S12)面形的高精度测量。

2.根据权利要求1所述的一种基于纳米线波导的点衍射干涉检测系统，其特征在于所述的可调衰减片(S5)，可调整参考光和检测光之间的相对光强，进而实现干涉条纹对比度可调。

3.根据权利要求1所述的一种基于纳米线波导的点衍射干涉检测系统，其特征在于所述的压电微位移器(S6)和光纤耦合器(S7)固定于一体，实现参考光路的多步移相操作。

4.根据权利要求1所述的一种基于纳米线波导的点衍射干涉检测系统，其特征在于所述的波导点衍射板(S9)，其中与之相连接的单模光纤只传输基模，能有效滤除波前像差的影响，且波导点衍射板(S9)将光场限制在波长量级尺寸范围内，能在出射端衍射形成理想的大数值孔径参考球面波。

5.根据权利要求4所述的一种基于纳米线波导的点衍射干涉检测系统，其特征在于波导点衍射板(S9)是由二氧化硅包层(S3a)、硅基底(S3b)、氮化硅芯层(S3c)三部分构成的矩形纳米线波导结构；纳米线波导的氮化硅芯层(S3c)片上结构包括氮化硅芯层尺寸、弯曲波导部分以及光耦合入波导的耦合器三部分的设计；氮化硅芯层材料的折射率为2；二氧化硅包层(S3a)的折射率为1.46；氮化硅芯层尺寸设计为250nm；氮化硅纳米线波导弯曲部分的曲率半径由波导弯曲损耗和模斑光场分布变形量共同决定，波导弯曲部分的曲率半径设计为5μm；光纤与纳米线波导的耦合器设计采用Y型耦合器。

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